CN116683267A - 基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器 - Google Patents

基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器 Download PDF

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张倩
夏菁
贾梦涵
李雨昭
杨睿
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Abstract

本发明公开了基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，包括光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)、平凸透镜(2)、定截距变焦环泵浦光束产生系统(3)、第一圆锥镜(4)、激光增益介质(5)、V形晶体圆锥镜(6)、平面镜(7)和第二圆锥镜(8)；实现正交偏振可调控涡旋双环激光输出，激光涡旋相位的拓扑荷数可以连续调节，利用定截距变焦环泵浦系统使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度，激光束所携带的自旋角动量和轨道角动量可以提高粒子囚禁效率和减小光束带给生物细胞热损伤，充分发挥内环切向、外环径向的双重偏振特性，在实现粒子捕获的同时又能进行高分辨成像，可以极大拓展矢量涡旋光场在生物医学领域中的应用。

Description

基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器。
背景技术
空心光场在光学成像、光学捕获、光学信息处理、电子加速以及微观粒子光学操纵等领域有着重要作用。近年来，人们设计和实现了不同形式的空心光场激光器，例如，反高斯空心激光器(专利201811357253.9)、双半反高斯空心激光器(专利201811357117.X)、双高斯空心激光器、双半高斯空心激光器(专利201811208397.8)、非均匀偏振空心激光器(专利201910065979.3)，以及多波长空心激光器(专利201910066066.3)等，这些空心激光既有大暗斑尺寸、光束宽度半径比满足一定条件时能产生较高的光强对比度，可以实现较好的强度梯度冷却。最近，人们研制出了不同种类的涡旋相位空心激光器，例如，具有涡旋相位多重模式的空心激光器(专利202111665250.3)，可调涡旋位相拓扑荷数的柱矢量激光器(专利202111663417.2)等。然而，上述的涡旋相位的空心激光器共同点是偏振单一且单环强度的分布形式，用作“光镊”只能捕获具有同种特性的某一类粒子。
本发明实现了正交偏振可调控涡旋双环激光，其中双环中的径向偏振空心涡旋光场经高数值孔径透镜聚焦后可形成超衍射极限超长的亚波长光针，采用亚波长光针进行扫描可以获得三维物体在竖直方向上的信息，并保持亚波长的横向分辨力，将亚波长光针作为加工“刀”，可加工具有亚波长横向尺寸的大深宽比结构。同时，双环中的切向偏振空心涡旋光场在经高数值孔径透镜聚焦后形成超长的高势阱光管，可更高效率的实现粒子捕获。本发明可以充分发挥内环切向、外环径向的双重偏振特性，在实现粒子捕获的同时又能进行高分辨成像，极大拓展了矢量涡旋光场在生物医学领域中的应用。此外，本发明通过定截距变焦环泵浦系统，可以调节激光涡旋相位的拓扑荷数，并且在调节泵浦焦环焦距尺寸的过程中泵浦焦环在激光增益介质中的位置始终不变，使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，激光的相位的拓扑荷数可以连续调节。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，包括：光纤耦合输出的半导体激光阵列，还包括沿着射出光束的光轴设置的平凸透镜、定截距变焦环泵浦光束产生系统、第一圆锥镜、激光增益介质、V形晶体圆锥镜、平面镜和第二圆锥镜；
其中，所述定截距变焦环泵浦光束产生系统包括：第一轴锥透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二轴锥透镜；所述第一轴锥透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二轴锥透镜沿着射出光束的光轴依次分布。
进一步，所述光纤耦合输出的半导体激光阵列为激光器的泵浦源；所述第一轴锥透镜锥面的锥角90°<α<150°，第二轴锥透镜锥面的锥角90°<β<150°，第一轴锥透镜、第一凹透镜、第二凹透镜和第二轴锥透镜的通光面对泵浦光镀增透膜。
进一步，所述平凸透镜对泵浦光束起准直作用，其通光面对泵浦光镀增透膜；所述第一圆锥镜为谐振腔的输入镜，其锥角其锥面对泵浦光镀增透膜和对激光镀高反射膜，其底面对泵浦光和激光镀增透膜；激光增益介质对泵浦光和激光镀增透膜，并对其进行TEC致冷。
进一步，所述V形晶体圆锥镜采用单轴晶体制成，其锥角30°<γ<150°，通光面对激光镀增透膜，光轴与V形晶体圆锥镜的圆柱面平行。
进一步，所述平面镜为激光谐振腔的输出耦合镜，其通光面对激光镀透过率为5-10％的介质膜。
进一步，所述第二圆锥镜的锥角ω＝90°，作为谐振腔的全反射镜，其锥面对激光镀高反射膜，所述第一圆锥镜和第二圆锥镜构成激光谐振腔。
进一步，设定截距变焦环泵浦光束产生系统的入射和出射参考面分别为PR1和PR2，所述第一轴锥透镜锥面的锥角为α(90°<α<150°)、凸面的焦距为f1、像方焦点为F1′，所述第一凹透镜的焦距为f2、物方和像方焦点分别为F2和F2′，所述第二凹透镜的的焦距为f3、物方和像方焦点分别为F3和F3′，所述第二轴锥透镜锥面的锥角为β，90°<β<150°、凸面的焦距为f4、物方和像方焦点分别为F4和F4′，所述第一轴锥透镜和第一凹透镜之间的离焦量为Δd1，所述第一凹透镜和第二凹透镜之间的离焦量为Δd2，所述第二凹透镜和第二轴锥透镜之间的离焦量为Δd3，所述定截距变焦环泵浦光束产生系统的组合主平面、组合焦距和组合截距分别为HΣ、fΣ和SΣ；经过计算可得，组合焦距fΣ和组合截距SΣ分别为方程(1)和(2)：
由方程(1)可知，选择透镜之间的离焦量可使系统组合焦距fΣ为正，为了使变焦系统紧凑选择Δd1<0、Δd2<0和Δd3<0，令离焦量Δd2固定不变，调节离焦量Δd1和Δd3可改组合焦距fΣ，从而可改变泵浦焦环的尺寸，对于不同的焦环半径和焦环宽度，可激发不同拓扑荷数的涡旋激光振荡，通过改变泵浦焦环参数就可输出不同拓扑荷数的涡旋激光；
由方程(2)可得，调节离焦量Δd1和Δd3可使变焦系统组合截距SΣ固定不变，即组合焦距fΣ连续变化的同时，泵浦焦环在增益介质中的位置始终保持恒定，使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度。
进一步，激光以θ非正入射到V形晶体的负锥面经过双折射产生o光和e光；设V形晶体为负单轴晶体，no>ne，no和ne分别为o光和e光的折射率，从2π方向上看即沿着系统轴线旋转一周，o光的集合形成切向偏振，e光的集合形成径向偏振。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明实现了正交偏振可调控涡旋双环激光输出，激光涡旋相位的拓扑荷数可以连续调节，并利用了定截距变焦环泵浦系统使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度，激光束所携带的自旋角动量和轨道角动量可以提高粒子囚禁效率和减小光束带给生物细胞热损伤，充分发挥内环切向、外环径向的双重偏振特性，在实现粒子捕获的同时又能进行高分辨成像，可以极大拓展矢量涡旋光场在生物医学领域中的应用。
附图说明
图1为本发明的激光器结构示意图；
图2为定截距变焦环泵浦光束产生系统；
图3为径向和切向正交偏振光场示意图；
图4为透镜离焦量Δd1和Δd3之间的关系；
图5为不同拓扑荷涡旋激光与平面波和球面波理论模拟的干涉图。
附图标记
1-半导体激光阵列；2-平凸透镜；3-定截距变焦环泵浦光束产生系统；4-第一圆锥镜；5-激光增益介质；6-V形晶体圆锥镜；7-平面镜；8-第二圆锥镜；9-第一轴锥透镜；10-第一凹透镜；11-第二凹透镜；12-第二轴锥透镜。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，激光的相位的拓扑荷数可以连续调节。本发明是通过以下技术方案来实现的：基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，如图1所示，从左至右依次设置包括光纤耦合输出的半导体激光阵列1、平凸透镜2、定截距变焦环泵浦光束产生系统3、第一圆锥镜4、激光增益介质5、V形晶体圆锥镜6、平面镜7和第二圆锥镜8。光纤耦合输出的半导体激光阵列1为激光器的泵浦源；平凸透镜2为准直透镜，其通光面对泵浦光镀增透膜；定截距变焦环泵浦光束产生系统3如图2所示，从左至右依次设置包括第一轴锥透镜9、第一凹透镜10、第二凹透镜11和第二轴锥透镜12，它们的通光面均对泵浦光镀增透膜。
设定截距变焦环泵浦光束产生系统3的入射和出射参考面分别为PR1和PR2，第一轴锥透镜9锥面的锥角为α(90°<α<150°)、凸面的焦距为f1、像方焦点为F1′，第一凹透镜10的焦距为f2、物方和像方焦点分别为F2和F2′，第二凹透镜11的的焦距为f3、物方和像方焦点分别为F3和F3′，第二轴锥透镜12锥面的锥角为β(90°<β<150°)、凸面的焦距为f4、物方和像方焦点分别为F4和F4′，第一轴锥透镜9和第一凹透镜10之间的离焦量为Δd1，第一凹透镜10和第二凹透镜11之间的离焦量为Δd2，第二凹透镜11和第二轴锥透镜12之间的离焦量为Δd3，定截距变焦环泵浦光束产生系统3的组合主平面、组合焦距和组合截距分别为HΣ、fΣ和SΣ。经过计算可得，组合焦距fΣ和组合截距SΣ分别为方程1和2；
由方程(1)可知，适当的选择透镜之间的离焦量可使系统组合焦距fΣ为正，方案中为了使变焦系统紧凑选择Δd1<0、Δd2<0和Δd3<0。令离焦量Δd2固定不变，调节离焦量Δd1和Δd3可改组合焦距fΣ，从而可改变泵浦焦环的尺寸，对于不同的焦环半径和焦环宽度，可以激发不同拓扑荷数的涡旋激光振荡，所以通过改变泵浦焦环参数就可输出不同拓扑荷数的涡旋激光。由方程(2)可得，恰当的调节离焦量Δd1和Δd3可使变焦系统组合截距SΣ固定不变，即组合焦距fΣ连续变化的同时，泵浦焦环在增益介质中的位置始终保持恒定，使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度。激光以θ非正入射到V形晶体6的负锥面经过双折射产生o光和e光。设V形晶体6为负单轴晶体(no>ne，no和ne分别为o光和e光的折射率)，从2π方向上看(沿着系统轴线旋转一周)o光的集合形成切向偏振，如图3的内环，e光的集合形成径向偏振，如图3的外环。
第一圆锥镜4为谐振腔的输入镜，其锥角锥面对泵浦光镀增透膜、对激光镀高反射膜，底面对泵浦光和激光镀增透膜；激光增益介质5对泵浦光和激光镀增透膜，并对其进行TEC致冷；V形晶体圆锥镜6采用单轴晶体制成，其锥角30°<γ<150°，通光面对激光镀增透膜，光轴与V形晶体圆锥镜6的圆柱面平行；平面镜7为谐振腔的输出耦合镜，其通光面对激光镀透过率为5-10％的介质膜，正交偏振涡旋双环激光由平面输出耦合镜7输出；第二圆锥镜8的锥角ω＝90°，作为谐振腔的全反射镜，其锥面对激光镀高反射膜，第一圆锥镜4和第二圆锥镜8构成激光谐振腔。
实施例2：
具体可采用以下单元器件实现基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器：光纤耦合输出的半导体激光阵列1的输出波长为808nm，光纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22；平凸透镜2的焦距为500mm，其通光面镀808nm增透膜；第一圆锥镜4、平面镜7和第二圆锥镜8、第一轴锥透镜9、第一凹透镜10、第二凹透镜11和第二轴锥透镜12均由K9玻璃制成；第一圆锥镜4的锥角其锥面镀808nm增透膜和1064nm高反射膜，底面镀808nm和1064nm增透膜；激光增益介质5由Nd:YAG晶体制成，其通光面镀808nm和1064nm的增透膜；对泵浦源和Nd:YAG晶体进行TEC致冷，温度控制在15°±0.5°范围；V形晶体圆锥镜6由正单轴石英晶体制成，其锥角γ＝120°，晶体光轴与V形晶体圆锥镜6的圆柱面平行，通光面镀1064nm增透膜；平面镜7的通光面对1064nm镀透过率为10％的介质膜；第二圆锥镜8的锥角的ω＝90°，其锥面镀1064nm高反射膜；第一轴锥透镜9的锥角α＝120°，凸面的焦距f1＝150mm，通光面镀808nm增透膜；第一凹透镜10的焦距f2＝-50mm，其通光面镀808nm增透膜；第二凹透镜11的焦距f3＝-100mm，其通光面镀808nm增透膜；第二轴锥透镜12的锥角β＝120°，凸面的焦距f4＝100mm，通光面镀808nm增透膜；取定截距变焦环泵浦光束产生系统3的组合截距SΣ＝50mm时，离焦量Δd2＝-20mm，由方程(1)和(2)可得离焦量Δd1和Δd3依赖关系如图4所示，调节离焦量Δd1和Δd3就可以改变泵浦光束的尺寸，从而可以调控激光涡旋相位拓扑荷数，图5给出了不同拓扑荷的涡旋激光与平面波(a)-(c)和球面波(d)-(f)理论模拟的干涉图形，其中(a)和(d)的拓扑荷数为1，(b)和(e)的拓扑荷数为2,(c)和(f)的拓扑荷数为3。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，包括：光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)，还包括沿着射出光束的光轴设置的平凸透镜(2)、定截距变焦环泵浦光束产生系统(3)、第一圆锥镜(4)、激光增益介质(5)、V形晶体圆锥镜(6)、平面镜(7)和第二圆锥镜(8)；
其中，所述定截距变焦环泵浦光束产生系统(3)包括：第一轴锥透镜(9)、第一凹透镜(10)、第二凹透镜(11)和第二轴锥透镜(12)；所述第一轴锥透镜(9)、第一凹透镜(10)、第二凹透镜(11)和第二轴锥透镜(12)沿着射出光束的光轴依次分布。
2.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，所述光纤耦合输出的半导体激光阵列(1)为激光器的泵浦源；所述第一轴锥透镜(9)锥面的锥角90°<α<150°，第二轴锥透镜(12)锥面的锥角90°<β<150°，第一轴锥透镜(9)、第一凹透镜(10)、第二凹透镜(11)和第二轴锥透镜(12)的通光面对泵浦光镀增透膜。
3.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，所述平凸透镜(2)对泵浦光束起准直作用，其通光面对泵浦光镀增透膜；所述第一圆锥镜(4)为谐振腔的输入镜，其锥角其锥面对泵浦光镀增透膜和对激光镀高反射膜，其底面对泵浦光和激光镀增透膜；激光增益介质(5)对泵浦光和激光镀增透膜，并对其进行TEC致冷。
4.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，所述V形晶体圆锥镜(6)采用单轴晶体制成，其锥角30°<γ<150°，通光面对激光镀增透膜，光轴与V形晶体圆锥镜(6)的圆柱面平行。
5.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，所述平面镜(7)为激光谐振腔的输出耦合镜，其通光面对激光镀透过率为5-10％的介质膜。
6.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，所述第二圆锥镜(8)的锥角ω＝90°，作为谐振腔的全反射镜，其锥面对激光镀高反射膜，所述第一圆锥镜(4)和第二圆锥镜(8)构成激光谐振腔。
7.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，设定截距变焦环泵浦光束产生系统(3)的入射和出射参考面分别为PR1和PR2，所述第一轴锥透镜(9)锥面的锥角为α(90°<α<150°)、凸面的焦距为f1、像方焦点为F1′，所述第一凹透镜(10)的焦距为f2、物方和像方焦点分别为F2和F2′，所述第二凹透镜(11)的焦距为f3、物方和像方焦点分别为F3和F3′，所述第二轴锥透镜(12)锥面的锥角为β，90°<β<150°、凸面的焦距为f4、物方和像方焦点分别为F4和F4′，所述第一轴锥透镜(9)和第一凹透镜(10)之间的离焦量为Δd1，所述第一凹透镜(10)和第二凹透镜(11)之间的离焦量为Δd2，所述第二凹透镜(11)和第二轴锥透镜(12)之间的离焦量为Δd3，所述定截距变焦环泵浦光束产生系统(3)的组合主平面、组合焦距和组合截距分别为HΣ、fΣ和SΣ；经过计算可得，组合焦距fΣ和组合截距SΣ分别为方程(1)和(2)：
由方程(1)可知，选择透镜之间的离焦量可使系统组合焦距fΣ为正，为了使变焦系统紧凑选择Δd1<0、Δd2<0和Δd3<0，令离焦量Δd2固定不变，调节离焦量Δd1和Δd3可改组合焦距fΣ，从而可改变泵浦焦环的尺寸，对于不同的焦环半径和焦环宽度，可激发不同拓扑荷数的涡旋激光振荡，通过改变泵浦焦环参数就可输出不同拓扑荷数的涡旋激光；
由方程(2)可得，调节离焦量Δd1和Δd3可使变焦系统组合截距SΣ固定不变，即组合焦距fΣ连续变化的同时，泵浦焦环在增益介质中的位置始终保持恒定，使激光器在调节过程中保持高的模式匹配度。
8.根据权利要求1所述的基于定截距变焦环泵浦正交偏振可调控涡旋双环激光器，其特征在于，激光以θ非正入射到V形晶体(6)的负锥面经过双折射产生o光和e光；设V形晶体(6)为负单轴晶体，no>ne，no和ne分别为o光和e光的折射率，从2π方向上看即沿着系统轴线旋转一周，o光的集合形成切向偏振，e光的集合形成径向偏振。
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